CN113158587A - 300mw凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于回热多耗系数的300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，主要用于凝汽式汽轮机主蒸汽流量的预测。本发明主要内容包括建立300MW凝汽式汽轮机回热多耗系数的概念，将对主蒸汽流量预测时众多参量、交叉耦合的复杂影响集中化，通过离线建模(建立理想的回热多耗系数及其随负荷变化规律；回热多耗系数的修正方程)和在线应用(主蒸汽流量预测)，实现主蒸汽流量的快速预测。本发明的算例结果表明300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量实际值与本发明方法的预测值十分接近，实现了提高主蒸汽流量预测精度和降低测算复杂度的目标。

Description

300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法

技术领域

本发明提出一种基于回热多耗系数的300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，主要用于凝汽式汽轮机主蒸汽流量的预测，属于软测量领域。

背景技术

凝汽式汽轮机主蒸汽流量预测是火电机组负荷优化调度的基础，但受到回热系统结构形式、运行参数以及回热系统性能变化等多种因素的影响，基于传统的回热系统热平衡方法，难以快速、准确地预测凝汽式汽轮机的主蒸汽流量。

凝汽式机组中回热汽流的压力分布及其做功不足是回热引起主汽流量多耗的根本原因，传统的方法是基于回热系统的热平衡方法，在测算回热系统图流量分布的基础上，预测凝汽式汽轮机主蒸汽流量。但通过回热加热器的热平衡算法测算其流量分布及其作功不足，计算工作量大、涉及参量多且精度要求高，目前火电机组的实时信息系统一般无法支持。

本发明提出300MW凝汽式汽轮机回热多耗系数的概念及基于回热多耗系数的主蒸汽流量预测方法。针对给定机组回热系统的结构形式和典型设计工况参数，预先计算理想的回热多耗系数及其随负荷的变化规律，进而，利用该机组典型工况的运行数据，确定回热多耗系数的修正方程，并基于回热多耗系数实现主汽流量的预测。

发明内容

回热多耗系数是指回热相比于无回热的流量相对增长率，为无量纲量。

对于回热循环，其无量纲回热多耗系数A_{load_i}为：

式中，α_i,j为第i典型负荷下第j级抽汽份额、H′_i,j为该负荷下第j级抽汽作功不足焓降、H_i,c为该负荷下凝汽流作功焓降。

根据功率平衡方程，理想主蒸汽流量软测量模型为：

对于再热冷段(高压缸抽汽)

H′_i,j＝h_j-h_c+σ (4)

对于再热热段抽汽(中、低压缸抽汽)

H′_i,j＝h_j-h_c (5)

H_i,c＝h₀-h_c+σ (6)

主汽流量修正系数是指主蒸汽实际流量与测算的主蒸汽流量的比值，为无量纲量。典型工况下主汽流量修正系数K_{load_i}

这样，实际主蒸汽流量的预测模型为：

式中，A_load＝f₁(P_el)

K_load＝f₂(P_el)

H_i,c＝f₃(P_el)

式中，D_{0_r}是第i各典型负荷下主蒸汽实际流量，P_el为电功率，A_{load_i}是第i各典型负荷下回热增益系数、H_i,c为凝汽流作功焓降(不含回热抽汽的纯凝焓降)，η_mg是机械效率与发电机效率的乘积，取0.97。

提出回热多耗系数的概念，结合主汽流量修正系数，可以利用(8)测算主蒸汽流量。

本发明的优点在于：一是通过离线(建立理想的回热多耗系数及其随负荷变化规律；回热多耗系数的修正方程)建模和在线(主蒸汽流量预测)应用，实现主蒸汽流量的快速预测；二是使用回热多耗系数的概念，将对主蒸汽流量预测时众多参量、交叉耦合的复杂影响集中化，实现提高主蒸汽流量预测精度和降低测算复杂度的目标。

附图说明

图1为本专利的实施步骤图。

图2为本专利使用的回热汽轮机结构图

具体实施方式

测算步骤如下，

步骤1：热平衡计算

步骤1.1：获取机组设计图纸中不同负荷下的发电功率(MW)主实际流量D_{load_i}(t/h)及热力系统的汽水参数(主蒸汽焓h_o；再热器焓；汽轮机排气焓；汽轮机凝结水焓；各级回热加热器对汽轮机的抽气焓；各级回热加热器的出水焓；各级回热加热器的进水焓；各级回热加热器的疏水出口焓；各级回热加热器的疏水进焓)。

步骤1.2：根据汽水参数和加热器类型及其构造，计算各个加热器的放热量(抽气放热量q_j；疏水放热量γ_j；给水吸热量τ_j)。

汽轮机主热力系统回热加热器主要分为两类：

表面式加热器(F型)：表面式加热器中冷热工质经受热面传递热量，管内流动着冷工质，管外是抽气及其凝水(排出后名为疏水)；

混合式加热器(C型)：混合式加热器中冷热工质混合传热，无受热面，冷热工质以相同参数离开。

需要计算的加热器内工质吸放热量包括抽气放热量、疏水放热量和给水吸热量，它们的定义分别为：

抽气放热量：来自汽轮机的抽气在加热器中的放热量

疏水放热量：来自上一级加热器的疏水焓(也是本级加热器疏水进焓)在本级加热器中的放热量

给水吸热量：流经加热器的工质在加热器中的吸热量

根据加热器类型的不同，它们的计算表达式也不同

根据加热器的热平衡关系，抽汽放热量、疏水放热量与给(凝)水吸热量的定义分别为：

抽汽放热量：q_j＝h_j-h_djo(表面式)；q_j＝h_j-h_wji(混合式)

疏水放热量：γ_j＝h_dji-h_djo(表面式)；γ_j＝h_dji-h_wji(混合式)

给(凝)水吸热量：τ_j＝h_wjo-h_wji

式中：h_j为第j级加热器抽汽焓

h_wjo和h_wji分别为第j级加热器给(凝)水出口与进口焓

h_djo和h_dji别为第j级加热器疏水出口与进口焓

步骤1.3：根据各个加热器热量计算抽气份额α_j。

步骤1.4：根据汽水份额计算主蒸汽理想焓降w₀、汽轮机做功w_i、主蒸汽吸热量q₀、排气放热量q_c，并检验热平衡。

步骤2：计算回热循环的无量纲回热增益系数

由步骤1获得的α_j为第i典型负荷下第j级抽汽份额、H′_j为第j级抽汽作功不足焓降、H_c为凝汽流作功焓降。

则根据定义，得回热循环的无量纲回热增益系数：

步骤3：测算典型工况下主汽流量修正系数：

其中η_mg是机械效率与发电机效率的乘积，取0.97，Pel_i为对应典型负荷工况下的电功率，A_{load_i}是对应典型负荷下回热增益系数。

步骤4：建立主汽流量修正系数函数：

基于典型样本的Pel_i和K_{load_i}、A_{load_i}、H_c，采用回归的方法，建立修正系数函数

K_{load_i}＝f₂(P_el)

H_i,c＝f₃(P_el)

A_{load_i}＝f₁(P_el)

步骤5：主汽流量需求测算：

以一个抽汽回热再热机组为例，该汽轮机部分由高压缸、中压缸和低压缸组成；高压缸抽汽依次编号为第1级和第2级抽汽，与各级抽汽对应的并分别与是第1级和第2级加热器相连；中压缸抽汽依次编号为第3级、第4级和第5级抽汽，并分别与第3级、第4级加热器和第5级相连；低压缸抽汽依次编号为第6级、第7级抽汽和第8级抽汽，并分别与第6级、第7级和第8级加热器相连。高压缸主蒸汽除用作第一二级抽气外，其余经再热器进入中压缸，中压缸排汽除用作抽汽外，其余部分进入低压缸。该机组额定负荷工况下发电功率为300MW,主汽温度537℃，主汽压力16.7MPa，再热温度537℃，压力3.36MPa。

详细计算步骤如下：

(1)热平衡计算

步骤1.1：获取机组设计图纸中满负荷下的主热力系统的汽水参数如下：

发电功率P_el为300MW

实际流量D_load为914t/h

主蒸汽出口焓h₀为3397.2kJ/kg；

主蒸汽进口焓为1209.7kJ/kg；

主蒸汽吸热量h_c为2187.5kJ/kg；

再热汽出口焓h_r为3538.3kJ/kg；

再热汽进口焓为3035.2kJ/kg；

再热汽吸热量为503.1kJ/kg；

排汽出口焓h_c为2353.8kJ/kg；

排汽进口焓h_wc为136.3.kJ/kg；

排汽放热量为2217.5kJ/kg；

#1加热器抽汽焓h₁ 3151.9kJ/kg

#1加热器出水焓h_w1o 1209.7kJ/kg

#1加热器进水焓h_w1i 1055.4kJ/kg

#1加热器疏水出口焓h_d1o 1060.1kJ/kg

#2加热器抽汽焓h₂ 3035.2kJ/kg

#2加热器出水焓h_w2o 1055.4kJ/kg

#2加热器进水焓h_w2i 871.0kJ/kg

#2加热器疏水出口焓h_d2o 888.4kJ/kg

#2加热器疏水进焓h_d2i 1060.1kJ/kg

#3加热器抽汽焓h₃ 3337.6kJ/kg

#3加热器出水焓h_w3o 871.0kJ/kg

#3加热器进水焓h_w3i 759.2kJ/kg

#3加热器疏水出口焓h_d3o 773.2kJ/kg

#3加热器疏水进焓h_d3i 888.4kJ/kg

#4加热器抽汽焓h₄ 3158.2kJ/kg

#4加热器出水焓h_w4o 759.2kJ/kg

#4加热器进水焓h_w4i 575.2kJ/kg

#4加热器疏水进焓h_d4i 773.2kJ/kg

#5加热器抽汽焓h₅ 2960.5kJ/kg

#5加热器出水焓h_w5o 575.2kJ/kg

#5加热器进水焓h_w5i 434.3kJ/kg

#5加热器疏水出口焓h_d5o 456.6kJ/kg

#6加热器抽汽焓h₆ 2788.5kJ/kg

#6加热器出水焓h_w6o 434.3kJ/kg

#6加热器进水焓h_w6i 360.0kJ/kg

#6加热器疏水出口焓h_d6o 382.1kJ/kg

#6加热器疏水进焓h_d6i 456.6kJ/kg

#7加热器抽汽焓h₇ 2659.8kJ/kg

#7加热器出水焓h_w7o 360.0kJ/kg

#7加热器进水焓h_w7i 244.8kJ/kg

#7加热器疏水出口焓h_d7o 266.6kJ/kg

#8加热器抽汽焓h₈ 2518.4kJ/kg

#8加热器出水焓h_w8o 244.8kJ/kg

#8加热器进水焓h_w8i 136.3kJ/kg

#8加热器疏水出口焓h_d8o 164.7kJ/kg

#8加热器疏水进焓h_d8i 266.6kJ/kg

典型负荷下热力系统参数如下表

步骤1.2：根据汽水参数和加热器类型及其构造，计算各个加热器的放热量(抽气放热量q_j；疏水放热量γ_j；给水吸热量τ_j)

在该系统中，#4号加热器为混合式加热器,#8号加热器由于疏水排入凝汽器水泵，也等效为混合式加热器；其余加热器为表面式加热器。

对一号加热器抽汽放热q₁＝h₁-h_d1o＝3397.2-1209.7＝2187.5(kJ/kg)

疏水放热γ₁＝h_d1i-h_d1o＝0(kJ/kg)

给水吸热τ₁＝h_w1o-h_w1i＝1209.7-1055.4＝154.3(kJ/kg)

对二号加热器抽汽放热q₂＝h₂-h_d2o＝3035.2-888.4＝2146.8(kJ/kg)

疏水放热γ₂＝h_d2i-h_d2o＝1060.1-888.4＝171.7(kJ/kg)

给水吸热τ₂＝h_w2o-h_w2i＝1055.4-871.0＝184.4(kJ/kg)

对三号加热器抽汽放热q₃＝h₃-h_d3o＝3337.6-773.2＝2564.4(kJ/kg)

疏水放热γ₃＝h_d3i-h_d3o＝888.4-773.2＝115.2(kJ/kg)

给水吸热τ₃＝h_w3o-h_w3i＝871.0-759.2＝111.8(kJ/kg)

对四号加热器抽汽放热q₄＝h₄-h_w4i＝3158.2-575.2＝2583.0(kJ/kg)

疏水放热γ₄＝h_d4i-h_w4i＝773.2-575.2＝198.0(kJ/kg)

给水吸热τ₄＝h_w4o-h_w4i＝759.2-575.2＝184.0(kJ/kg)

对五号加热器抽汽放热q₅＝h₅-h_d5o＝2960.5-456.6＝2503.9(kJ/kg)

疏水放热γ₅＝h_d5i-h_d5o＝0(kJ/kg)

给水吸热τ₅＝h_w5o-h_w5i＝575.2-434.3＝140.9(kJ/kg)

对六号加热器抽汽放热q₆＝h₆-h_w6i＝2788.5-382.1＝2406.4(kJ/kg)

疏水放热γ₆＝h_d6i-h_d6o＝456.6-382.1＝74.5(kJ/kg)

给水吸热τ₆＝h_w6o-h_w6i＝434.3-360.0＝74.3(kJ/kg)

对七号加热器抽汽放热q₇＝h₇-h_d7o＝2659.8-266.6＝2393.2(kJ/kg)

疏水放热γ₇＝h_d7i-h_d7o＝382.1-266.6＝115.5(kJ/kg)

给水吸热τ₇＝h_w7o-h_w7i＝360.0-244.8＝115.2(kJ/kg)

对八号加热器抽汽放热q₈＝h₈-h_w8i＝2518.4-136.3＝2382.1(kJ/kg)

疏水放热γ₈＝h_d8i-h_w8i＝266.6-136.3＝130.3(kJ/kg)

给水吸热τ₈＝h_w8o-h_w8i＝244.8-136.3＝108.5(kJ/kg)

其余工况计算方法相同，汇总结果在下表

步骤1.3：根据各个加热器热量计算抽气份额α_j。

根据加热器的流量平衡与热量平衡关系，加热器抽汽份额的计算通式为：

式中，A_j是j级加热器出水份额，由j-1级加热器的流量平衡确定

B_j是j级加热器接收疏水份额，亦由j-1级加热器的流量平衡确定。对表面式加热器后的加热器B_j＝B_j-1+α_j-1，对一级加热器及混合式加热器后的加热器B_j＝0。

对一号加热器，#1号加热器的出水份额与锅炉进水份额相同，不考虑工质损失，则锅炉进水含量份额为1，则有A₁＝1；由于#1号加热器前无加热器，且锅炉无疏水，所以#1号加热器接收上级疏水份额为0，有B₁＝0；

对二号加热器，#2号加热器的出水份额A₂与#1号加热器的进水份额相同，由于#1号加热器为表面式加热器，进出水份额相同，所以A₂＝A₁＝1。#1加热器的疏水份额(亦即#2加热器接受的疏水份额B₂)与其抽汽份额相等，所以B₂＝α₁＝0.073764；

对三号加热器，#3号加热器的出水份额A₃与#2号加热器的进水份额相同，由于#2号加热器为表面式加热器，进出水份额相同，所以A₃＝A₂＝1。#2加热器的疏水份额(亦即#3加热器接受的疏水份额B₃)包括#2号加热器的疏水与#2号加热器的抽气，所以B₃＝B₂+α₂＝0.153760；

对四号加热器，#4号加热器的出水份额A₄与#3号加热器的进水份额相同，由于#3号加热器为表面式加热器，进出水份额相同，所以A₄＝A₃＝1。#3加热器的疏水份额(亦即#4加热器接受的疏水份额B₄)包括#3号加热器的疏水与#4号加热器的抽气，所以B₄＝B₃+α₃＝0.19045；

对五号加热器，#5号加热器的出水份额A₅与#4号加热器的进水份额相同，由于#4号加热器为混合式加热器，出水份额包括进水份额、抽气份额和接收#3号疏水份额，所以A₅＝A₄-α₄-B₄＝1-0.056636-0.19045＝0.752914。由于#4号加热器没有疏水，所以#5号加热器没有接受疏水，B₅＝0

对六号加热器#6号加热器的出水份额A₆与#5号加热器的进水份额相同，由于#5号加热器为表面式加热器，进出水份额相同，所以A₆＝A₅＝0.752914。#6加热器的疏水份额(亦即#6加热器接受的疏水份额B₆)包括#5号加热器的疏水与#5号加热器的抽气，所以B₆＝B₅+α₅＝0.042368

对七号加热器，#7号加热器的出水份额A₇与#6号加热器的进水份额相同，由于#6号加热器为混合式加热器，出水份额包括进水份额、抽气份额和接收#5号疏水份额，所以A₇＝A₆＝A₅＝0.752912。#7加热器的疏水份额(亦即#7加热器接受的疏水份额B₇)包括#6号加热器的疏水与#6号加热器的抽气，所以B₇＝B₆+α₆＝0.064303

对八号加热器，#8号加热器的出水份额A₈与#7号加热器的进水份额相同，由于#7号加热器为表面式加热器，进出水份额相同，所以A₈＝A₇＝0.752914。#7加热器的疏水份额(亦即#8加热器接受的疏水份额B₈)包括#7号加热器的疏水与#7号加热器的抽气，所以B₈＝B₇+α₇＝0.097443；

其余工况计算方法相同，汇总结果在下表

步骤1.4：根据汽水份额计算主蒸汽理想焓降w₀、汽轮机做功w_i、主蒸汽吸热量q₀、排气放热量q_c，并检验热平衡。

(1)单位进汽循环吸热量

q₀＝h₀-h_w1+α_r·(h_r-h₂)

＝3397.2-1209.7+(1-0.07376422-0.07999566)·(3538.3-3035.2)

＝2613.24kJ/kg

(2)单位进汽循环作功量

计算抽气做功不足

#1抽气做功不足：y₁＝α₁·(h₁-h_c+σ)＝95.98200593kJ/kg

#2抽气做功不足：y₂＝α₂·(h₂-h_c+σ)＝94.75485936kJ/kg

#3抽气做功不足：y₃＝α₃·(h₃-h_c)＝36.09525kJ/kg

#4抽气做功不足：y₄＝α₄·(h₄-h_c)＝45.55806kJ/kg

#5抽气做功不足：y₅＝α₅·(h₅-h_c)＝25.70476kJ/kg

#6抽气做功不足：y₆＝α₆·(h₆-h_c)＝9.535276kJ/kg

#7抽气做功不足：y₇＝α₇·(h₇-h_c)＝10.14059kJ/kg

#8抽气做功不足：y₈＝α₈·(h₈-h_c)＝4.767426kJ/kg

其中：σ为再热吸热量：σ＝h_r-h₂＝503.1kJ/kg；

α_c为除去各级抽气后的凝气流份额：α_c＝1-α₁-α₂-α₃-α₄-α₅α₆-α₇-α₈＝0.626508；

w₀为主蒸汽理想焓降，其定义为：汽轮机组没有抽气时单位进气在汽轮机组里的焓降。主蒸汽理想焓降：H_c＝w₀＝(h₀-h_c+σ)＝1546.5kJ/kg即为H_c凝汽流作功焓降

汽轮机做功w_i＝w₀-y₁-y₂-y₃-y₄-y₅-y₆-y₇-y₈＝1223.96kJ/kg

(3)冷源损失即循环放热：

q_c＝a_c·(h_c-h_wc)＝0.626508(2353.8-136.3)＝1389.28kJ/kg

(4)热平衡检验：

q₀＝h₀-h_w1+a_rσ＝2613.24kJ/kg＝w_i+q_c＝1223.96+1389.28kJ/kg

其余工况计算方法相同，汇总结果在下表。

步骤2：计算回热循环的无量纲回热增益系数

由步骤1获得的α_j为第i典型负荷下第j级抽汽份额、H_j'为第j级抽汽作功不足焓降、H_c为凝汽流作功焓降。

则根据上述计算结果，得满负荷时的回热循环的无量纲回热增益系数：

步骤3：测算典型工况下主汽流量修正系数：

K_{load_i}＝D_{load_i}/[3600·Pel_i/(A_{load_i}·H_c·η_mg)]

＝914/[3600·300/(0.987217·1335.9·0.97)]

＝1.2336485

其余工况计算方法相同，汇总结果在下表。

步骤4：建立主汽流量修正系数函数：

基于典型样本的P_el和A_{load_i}、K_{load_i}和H_c数据，采用回归的方法，建立修正系数函数

A_load＝f₁(P_el)

K_load＝f₂(P_el)

H_c＝f₃(P_el)

根据他们的变化趋势，对A_load＝f₁(P_el)利用二阶多项式线性回归，对K_load＝f₂(P_el)利用对数回归，对H_c＝f₃(P_el)利用拉格朗日差值，得出如下：

A_load＝f₁(P_el)＝3·10^-9·(P_el)²-4·10^-5·(P_el)+0.9976

K_{load_i}＝f₂(P_el)＝0.0748ln(P_el)+0.8223

H_c＝f₃(P_el)＝3.1691·10^-7(P_el)⁴-1.781·10^-4(P_el)³+0.0225(P_el)²+1.7588(P_el)+1240.1

步骤5：主汽流量需求测算：

满负荷时P_el为300MW，

其余工况计算方法相同，各个典型点与需求预测模型的误差如下表：

	30％	40％	50％	75％	满负荷
						实际流量/(t/h)	265	346	427	664	914
预测流量/(t/h)	264.62	345.37	428.17	665.17	909.41
						绝对误差/(t/h)	0.377	0.627	-1.172	-1.172	4.589
相对误差/(％)	0.142	0.181	-0.275	-0.177	0.502

最后应说明的是以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先基于300MW机组设计图纸中不同负荷下的主蒸汽流量及热力系统的汽水参数，计算热力系统的热平衡，获取主蒸汽理想焓降w₀、汽轮机做功w_i、主蒸汽吸热量q₀、排气放热量q_c等。

其次计算300MW凝汽式汽轮机组回热循环的无量纲回热增益系数，并测算典型工况下主汽流量修正系数；

最后建立主汽流量修正系数函数，进行主汽流量需求测算。

2.根据权力要求1所述的300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，其特征在于，所述热力系统的热平衡的计算是基于各个加热器热量计算抽气份额α_j计算并校核完成的。

3.根据权力要求1所述的300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，其特征在于，所述300MW凝汽式汽轮机组回热循环的无量纲回热增益系数，其计算公式如下：

式中，α_j为第i典型负荷下第j级抽汽份额、H'_j为第j级抽汽作功不足焓降、H_c为凝汽流作功焓降。

4.根据权力要求1所述的300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，其特征在于，所述300MW凝汽式汽轮机组回热循环的典型工况下主汽流量修正系数测算如下：

其中η_mg是机械效率与发电机效率的乘积，取0.97，Pel_i为对应典型负荷工况下的电功率，A_{load_i}是对应典型负荷下回热增益系数。

5.根据权力要求1所述的300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，其特征在于，主汽流量修正系数函数的建立是基于典型样本的Pel_i和K_{load_i}、A_{load_i}、H_c，采用回归的方法，建立的修正系数函数

6.根据权力要求1所述的300MW凝汽式汽轮机主蒸汽流量软测量方法，其特征在于，主汽流量需求测算公式如下：

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